作者：刘增辉 倪福生 徐立 顾磊
来源：《人民黄河》2020年第02期
摘要：我國水库数量多，淤损率高，严重影响水库的功能、安全和综合效益。从机械清淤和水力排沙清淤两个方面对水库清淤技术进行了综述，分析了不同清淤技术的适用条件、清淤特性及能耗特性，提出了需要开展环保疏浚、清淤物无害化处理与资源化利用、多种清淤方式有效联合等建议，以推动清淤技术科学发展，实现水库可持续利用。 关键词：水库;清淤技术;环保疏浚;资源化利用
中图分类号：TV697.3文献标志码：A
喷气式汽车 doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.002
Abstrat： In China， there are a lot of reservoirs， and the high rate of reservoir sedimentation seriously affects reservoir function， safety， and comprehensive benefits. From the aspects of mechanical dredging and hydraulic dredging， the reservoir dredging technology was reviewed. The application scope， dredging characteristics and energy consumption characteristics of different dredging technologies were comprehensively analyzed. In order to promote scientific development of dredging technology and achieve sustainable use of reservoirs， the research work about environmental dredging， harmless treatment， resources utilization， and effective combination of various dredging methods were put forward.
Key words： reservoir; dredging technology; environmental dredging; resources utilization
中国是世界上水库数量最多的国家，据《第一次全国水利普查公报》[1]显示，截至2013年，我国水库总库容为9 323亿m3，占全国河川径流总量的20%[2]。水库作为重要的综合水利枢纽，其各项功能的发挥为解决我国旱涝频发等问题、水资源高效利用、推动经济发展、维持社会稳定提供了重要保障。同时，我国水库平均年淤损率为2.3%，是世界上大型水库平均年淤损率的2倍～4倍，水库淤积问题严重程度高居世界之首[2]。泥沙淤积导致的库容损失使水库的各项功能、安全保障及综合效益受到影响。因此，深入开展水库淤积相关问题的研究，成为摆在水利工作者面前的重要课题。多年来，我国在水库清淤方面开展了大量工作，取得了一系列研究成果。本文将从机械清淤和水力排沙清淤两个方面，对水库清淤技术方面的研究进行综合论述。
1机械清淤技术研究
水库机械清淤技术是指利用机械设备将已经淤积或进入水库的泥沙清除出库，主要分为常规机械清淤技术和特殊机械清淤技术两类。
1.1常规机械清淤技术
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（1）空库干挖。空库干挖清淤技术要求在非汛期降低库水位或放空水库，采用常规的挖掘机械进行淤泥、沙土的挖掘与运输。比如，美国Cogswell水库曾采用空库干挖方式进行清淤，并利用所挖泥沙进行工程应用[3-4]。空库干挖清淤技术的优点是耗水量小、清淤量可控性强、清淤彻底，对环境影响相对较小，缺点是需耗费外部动力装备，清淤范围小、清淤成本高。
（2）挖泥船清淤。挖泥船清淤技术是指利用挖泥船对水库指定区域进行清淤，主要优点是耗水量小、机动性强，不受水库调度影响，缺点是清淤能力有限，汛期容易再次淤积，清淤成本较高。基于各种类型挖泥船工作特点[5]，最适宜水库清淤的挖泥船主要有绞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船及DOP（Damen Onderwater Pomp，荷兰语，即达门水下泵）挖泥船，本文重点介绍这三类挖泥船。 绞吸式挖泥船结构见图1，由绞刀头切削水下淤泥、砂砾及岩石等介质，在绞刀头的旋转运动作用下形成固液两相混合物，进而在舱内泵的抽吸作用下途经绞吸管道输送至舱内泵，最终途径排泥管输送到预定地点排放与处理[5]。绞吸式挖泥船的类型、尺寸及功率范围很广，绞刀头功率从20 kW到8 500 kW不等，最大挖深可达45 m，最小挖深通常由浮
箱的吃水而定[6]。绞吸式挖泥船生产能力不仅受切削功率、横移功率和水流速度的影响，而且也取决于绞刀头的直径。在切削工况准许的情况下，增大切削厚度、步幅尺寸及绞刀头尺寸可提高产量。
我国许多湖库分布在城市周围，受环境工况及运输条件等限制，小型绞吸式挖泥船较为适合。同时，这些湖库多为饮用水源地，且底泥中多含有一定程度污染物，因此对其清淤时要求有较高的控制精度，以免清淤过程中造成底泥扩散影响水质。基于此，环保绞吸挖泥船应运而生，其在普通绞吸式挖泥船基础上增加了环保绞刀头、产量计、浊度计、高精度导航定位系统、多功能数据采集控制器及挖深指示仪等设备，使得系统定位精度和挖深精度大幅提高，可减少超挖疏浚工程量。环保绞刀头具有导泥挡板、绞刀防护罩、绞刀水平调节器，可使绞刀切削轮廓始终与疏浚底泥贴平，被切削的底泥在绞刀防护罩内扰动，既可提高泥泵吸入的混合物含泥量，提高疏浚效率，又可减少底泥挖掘过程中的扩散，避免二次污染。此外，采用管道输送串联接力泵船加压技术，可实现底泥的全封闭、远距离、无堵塞稳定输送，同时可避免底泥在输送过程中泄漏所造成的二次污染。
耙吸式挖泥船结构见图2，其作业过程为下放耙管，启动泥泵，进而将耙头继续放至
与泥层贴合，开始疏浚挖掘作业;挖掘泥沙被泥泵抽吸入泥舱，直至装满泥舱，此时舱内泥水混合物的液面高度由溢流筒调定，但不能超过船舶的最大吃水深度;满舱后，等待吸泥管泥沙抽吸干净，关停泥泵，吊起耙管，加大航速驶向排泥区或吹填区;抵达抛泥区后，采用预定排泥方式排空泥舱疏浚物，然后再次驶返挖掘区域，开始新的作业循环。自航耙吸式挖泥船具有自航能力，其调节灵活度高、调度费用低、输泥距离不受限制，且挖深大（最大挖深可达155 m），因此应用范围十分广泛[7]。针对不同水库的边界条件，可选择不同型号和尺寸的耙吸式挖泥船进行清淤作业，以及选择虹抛岸吹或者管路输送的方法将所挖掘的泥沙运输上岸[8]。
耙头是自航耙吸船的吸口，是疏浚设备中最重要的部件之一。最常见的耙头为荷兰IHC耙头和美国加利福尼亚耙头，这两种耙头都是依据泥泵水流造成冲刷的原理研发的，如今通常为这些耙头装配高压射流喷嘴，根据土层挖掘难度考虑是否启动高压冲水泵。此外，为高效疏浚淤泥和黏土，设计了淤泥耙头;为高效疏浚硬黏土和密实沙，设计了主动耙头[9]。测试网页游戏
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位于偏远地区的水电站，山区公路不易通行。传统的挖泥船受船体尺寸和挖掘深度限delta并联机器人
制，很难适用于上述山区大坝或水库的清淤工程，而荷兰达门疏浚设备公司研制的DOP挖泥船（见图3）是最适合的，原因是它易于拆卸和运输，其最大的组件也不会超过一个标准集装箱（2 438 mm×12 192 mm×2 896 mm），并且质量不大，可以用小型起重机装配。
新推出的达门DOP系列挖泥船分别采用DOP 150、200、250、350标准，疏浚能力为600～2 400 m3/h。由于使用了潜水式疏浚泵，因此DOP挖泥船能够轻松地到达其他挖泥船无法到达的深度，疏浚深度可达100 m。此外，国内还引进了全电动DOP挖泥船，这对于偏远山区水库的疏浚维护特别有“吸引力”[10]。
1.2特殊机械清淤技术
（1）水力虹吸清淤。水力虹吸清淤技术[11]基于虹吸挖泥船、吸头和水下抽沙管道等组成系统，利用水库上下游水位差产生的虹吸作用进行清淤，其系统示意见图4[12]。为提高清淤效率，可借助机械设备进行泥沙搅拌，增大悬浮泥沙浓度。在大坝下泄水流无含沙量限制时，该技术适用于坝前的小规模清淤，山西田家湾水库和法国Rioumajou水库等[4，13]曾采用过该技术。其主要优点是成本低，设备可拆卸、易运输，可结合农田灌溉排沙;主要缺点是有机碎屑容易阻塞管道且清淤范围有限（最大为坝前3 km）。新型盘扣式脚手架
（2）气力泵清淤。环保疏浚[14-16]是去除河湖、水库内源污染的有效手段。传统的疏浚方法往往存在疏挖精度低、悬浮物易扩散、底泥含水率高等问题，这都严重限制了环保疏浚行业的发展和疏浚底泥的处理处置。而气力泵生态清淤同步脱水固化技术[17]可使深水湖库的内源污染底泥大幅削减，疏浚精度可控制在10 cm之内，该技术已于2016年在福建省山美水库生态环保疏浚工程中得到良好应用[18-19]，主要包含环保疏浚系统、预处理除渣系统、调理改性系统、脱水固结系统和资源化利用系统。采用的特种气力泵生态清淤船装备可对湖库底泥进行高精度疏浚，有效防止超挖、漏挖等不良现象产生。
气力泵清淤系统主要由泵体、进出气管、排料管、空气分配器、空气压缩机及水平输料管等组成，其中泵体作为最关键的部件，呈长圆柱状。气力泵整个工作过程分为三个阶段：①排气阶段，气力泵气阀打开，抽出泵内空气，随后气力泵气阀关闭;②进料阶段，气力泵进料口阀门打开，泥、沙及小石块等物料在水的壓力与真空负载作用下快速进入泵体，当泵体内物料填充一定时间后，气力泵进料口阀门自动关闭;③进气阶段，气力泵气阀打开，通入压缩空气不断挤压泵体内的物料，将其由排料口排出，物料排完后排料阀门自动关闭，气力泵气阀再次打开，把残余压缩空气排出泵体，从而继续下一个工作循环。
底泥通过疏浚管道输送至岸上后，经过预处理过滤除渣、催化剂改性反应、压滤机脱水固化后，可形成45～65 mm厚的硬质泥饼，可作为烧制陶泥和生态砖的原材料[20]。该技术适用于环保要求严、疏浚深度大、泥浆含水率高的湖库疏浚项目，可有效降低湖库内源污染，推动疏浚底泥的减量化、稳定化和资源化。
（3）射流船清淤。射流船清淤工作原理见图5，水泵抽吸河水泵送至高压水仓，然后由喷嘴阵列喷出高速射流，喷射到喷射区1中，泥沙不断悬浮，逐渐变成水沙混合层。随着涡流的持续搅动，原本密度不一的水沙混合层逐渐变成密度均匀的固液悬浮混合层，即过渡区2。由于过渡区的密度大于周围水的密度，因此在密度差的作用下混合层开始移动，形成所谓的密度流，带动过渡区2向输运区3不断移动，直到输运到指定清淤地点，完成一次清淤工作[21]。
射流船只需借助水流自身动力将悬浮泥沙输送至预定地点，而无需依靠泥泵的抽吸及管路的输送作用，因此整个清淤过程成本相对较低，然而其对工况要求则更高。射流船只能应用于深槽、深潭等比较狭窄且位能较低的航道，同时疏浚物的主要成分必须是泥或者细砂[22]。针对上述工况，射流船可发挥其能耗低、成本小、效率高及操作便捷等特长。
目前，为了扩大应用范围，射流船正逐步通过增大流量和功率等向着大型化发展，且射流船将不再受船型限制，通过将射流装备添加到多功能疏浚船舶或者拖轮上，既可降低成本，又可弥补应用范围狭小的不足。
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